KIẾN TRÚC MÁY TÍNH (Computer architecture)  Thời gian: - Lý Thuyết: 45 tiết (3 ĐVHT) pptx

1
KI
KI
Ế
Ế
N TR
N TR
Ú
Ú
C M
C M
Á
Á
Y T
Y T
Í
Í
NH
NH
(Computer architecture)
(Computer architecture)
 Thời gian:
- Lý Thuyết: 45 tiết (3 ĐVHT)
- Thực hành : 30 tiết
 Điểm Lý thuyết:
- Điểm thi giữa HK: 30%
- Điểm thi cuối kỳ: 60%
-Điểm chuyên cần 10%
 Điểm Thực hành :
 Điểm chung “ (LT *70%) + (TH * 30)
2

M
M
ụ
ụ
c
c
đ
đ
í
í
ch
ch
môn
môn
h
h
ọ
ọ
c
c
Nhằm trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản nhất về kiến
trúc một máy tính.
 Lịch sử phát triển máy tính.
 Chức năng và nguyên lý hoạt động của các bộ phận máy tính.
 Cách biểu diễn dữ liệu, tính toán trong máy tính
 Cách chế tạo, thiết kế các mạch Logic số cơ bản
 Phương pháp bảng Carno để rút gọn mạch số.
 Các kiến trúc bộ lệnh trong các loại máy tính CISC và RICS
 Các nguyên lý hoạt động của bộ xử lý
 Sơ lược hệ thống lệnh mã máy

3
T
T
à
à
i
i
li
li
ệ
ệ
u
u
h
h
ọ
ọ
c
c
t
t
ậ
ậ
p
p
&
&
tham
tham
kh

kh
ả
ả
o
o
1. TS Vũ Đức Lung . Kiến truc máy tính . ĐH CNTT thuộc ĐH Quốc gia
HCM . 2010
2. Nguyễn Minh Tuấn. Kiến trúc máy tính (Giáo trình lược giản). Trường
ĐH Khoa học tự nhiên, ĐHQG TP.HCM, V3.7
3. Cấu trúc máy tính cơ bản, tổng hợp và biên dịch VN-Guide, nhà xuất bản
thống kê, 2005.
4. Võ Văn Chín, Nguyễn Hồng Vân, Phạm Hữu Tài. Giáo trình kiến trúc
máy tính. ĐH Cần Thơ, 2005.
5. M. Abd-El-Barr, H. El-Rewini, Fundamentals of Computer Organization
and Architecture, Wiley, 2005
6. Patterson, D. A., and J. L. Hennessy. Computer Organization and Design:
The Hardware/Software Interface, 3rd ed. San Mateo, CA: Morgan
Kaufman, 2004
4
Chương I : Giới thiệu
- Lịch sử phát triển của máy tính qua các thế hệ máy
tính:
-
-
-
- Khuynh hướng hiện tại cho phát triển ngành máy tính
- Phân loại máy tính
- Các dòng CPU Intel
Mục đích - nắm bắt cơ bản về:
5

Kiến trúc máy tính
 Kiến trúc máy tính đề cập đến những thuộc tính hệ thống mà lập trình
viên có thể quan sát được. Đó là các thuộc tính có ảnh hưởng trực tiếp
đến việc thực thi một chương trình, ví dụ như tập chỉ thị của máy tính, số
bit được sử dụng để biểu diễn dữ liệu, cơ chế nhập/xuất, kỹ thuật định
địa chỉ bộ nhớ, v.v
6
Tổ chức máy tính
 Tổ chức máy tính quan tâm đến các đơn vị vận hành và sự kết nối giữa
chúng nhằm hiện thực hóa những đặc tả về kiến trúc, chẳng hạn như về tín
hiệu điều khiển, giao diện giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi, kỹ thuật
bộ nhớ được sử dụng
7
Học Kiến trúc máy tính để làm gì?
8
Máy tính là gì?
Là máy xử lý dữ liệu, thực thi tự động dưới sự điều khiển của
một danh sách các câu lệnh lưu trong bộ nhớ
9
Thị phần bộ vi xử lý
10
Năm 1642 Pascal phát
minh ra máy tính đầu
tiên với 2 phép tính +
và -
1.1.Lịch sử phát triển máy tính
1.1.1.Th
1.1.1.Th
ế
ế

h
h
ệ
ệ
zero
zero
–
–
m
m
á
á
y
y
t
t
í
í
nh
nh
cơ
cơ
h
h
ọ
ọ
c
c
(1642
(1642

-
-
1945)
1945)
11
Năm 1672 Gotfrid
vilgelm Leibnits chế tạo
ra máy tính với 4 phép
tính cơ bản (+ - * /)
1.1.1.Th
1.1.1.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
zero
zero
–
–
m
m
á
á
y
y
t
t
í

í
nh
nh
cơ
cơ
h
h
ọ
ọ
c
c
(1642
(1642
-
-
1945)
1945)
• 1834 Babbage (Anh) – máy tính
có 4 bộ phận: bộ nhớ, bộ tính
toán, thiết bị nhập, thiết bị xuất
• 1936 К. Zuse (Đức) máy trên cơ
sở rơle (relay)
• 1944 G. Iken (Mỹ) – Mark I
- nặng 5 tấn,
- cao 2.4 m,
- dài 15 m,
- chứa 800 km dây điện
12
1.1.1.Th
1.1.1.Th

ế
ế
h
h
ệ
ệ
zero
zero
–
–
m
m
á
á
y
y
t
t
í
í
nh
nh
cơ
cơ
h
h
ọ
ọ
c
c

(1642
(1642
-
-
1945)
1945)
13
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n

n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)
1. 1943 máy tính COLOSSUS (Anh)
Bóng đèn chân
không
- 2000 đèn chân không
- Giữ bí mật suốt 30 năm
14
COLOSSUS
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I

–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)
15
2. Dự án chế tạo máy ENIAC(Electronic Numerical Integrator
and Computer) được BRL (Ballistics Research Laboratory –
Phòng nghiên cứu đạn đạo quân đội Mỹ) bắt đầu vào năm

1943 dùng cho việc tính toán chính xác và nhanh chóng các
bảng số liệu đạn đạo cho từng loại vũ khí mới.
Các thông số:
-18000 bóng đèn chân không
- nặng hơn 30 tấn
- Tiêu thụ một lượng điện năng vào khoảng 140kW và chiếm một diện tích
xấp xỉ 1393 m2 .
- 5000 phép cộng/ 1s
- Đặc biệt sử dụng hệ đếm thập phân
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è

è
n
n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)
16
- 20 "bộ tích lũy",
- Mỗi bộ có khả năng lưu giữ một số thập phân có 10 chữ số.
-Mỗi chữ số được thể hiện bằng một vòng gồm 10 đèn chân
không.
Bộ nhớ của ENIAC
Điểm khác biệt giữa ENIAC & các máy tính khác:
ENIAC sử dụng hệ đếm thập phân chứ không phải nhị
phân như ở tất cả các máy tính khác
• Máy ENIAC bắt đầu hoạt động vào tháng 11/1945
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h

h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)

1955)
17
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n
đi
đi
ệ
ệ

n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)
18
3. Nhà toán học John von Neumann(Hungary), một
cố vấn của dự án ENIAC, đưa ra 1945, trong một bản
đề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC
(Electronic Discrete Variable Computer)
- 2500 đèn điện tử
- Chương trình lưu trong bộ nhớ (không cần phải nối
dây lại như máy ENIAC).
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b

ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)
19
John von Neumann
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h

ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n
đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)

20
1952 ra đời IAS (Institute for Advanced Studies) tại học viện nghiên
cứu cao cấp Princeton, Mỹ.
Cấu trúc của máy IAS
1952 máy tính Von Neumann ra đời – cơ sở cho kiến trúc
máy tính hiện đại (bit 1,0).
1.1.2.Th
1.1.2.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
I
I
–
–
b
b
ó
ó
ng
ng
đ
đ
è
è
n
n

đi
đi
ệ
ệ
n
n
(1945
(1945
-
-
1955)
1955)

Bộ
Logic-số học

ALU
B
ộ


điều khiển
CU



Bộ
nhớ
chính

Thiết
bị
nhập
xuất
21
Kỹ thuật stored-program
Chương trình được đưa vào bộ nhớ chính đã được địa chỉ
hóa và máy tính dùng bộ đếm chương trình để thi hành tuần
tự các lệnh.
Bộ nhớ
- 1000 vị trí lưu trữ, gọi là word,
- 1 word = 40 bit.
- Mỗi số được biểu diễn bằng 1 bit dấu và một giá trị 39 bit.
-Một word có thể chứa 2 chỉ thị 20 bit, với mỗi chỉ thị gồm
một mã thao tác 8 bit (op code) đặc tả thao tác sẽ được thực
hiện và một địa chỉ 12 bit định hướng đến một word trong bộ
nhớ (địa chỉ này đi từ 0 đến 999).
Đặc tính của IAS
22
Các dạng thức bộ nhớ của máy IAS
23
1.1.3.Th
1.1.3.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ

II
II
–
–
transistor (1955
transistor (1955
-
-
1965)
1965)
Sự thay đổi đầu tiên trong lĩnh vực máy tính điện tử xuất hiện khi có sự
thay thế đèn chân không bằng đèn bán dẫn. Đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ hơn,
tỏa nhiệt ít hơn trong khi vẫn có thể được sử dụng theo cùng cách thức của
đèn chân không để tạo nên máy tính
Năm 1947 - Bardeen,
Brattain và Shockley của
phòng thí nghiệm Bell Labs
đã phát minh ra transistor và
đã được giải Nobel vật lý
năm 1956.
24
1.1.3.Th
1.1.3.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ
II

II
–
–
transistor (1955
transistor (1955
-
-
1965)
1965)
25
Trong thế hệ này nổi tiếng nhất là 2 máy:
PDP-1 của DEC là máy tính nhỏ gọn nhất thời bấy giờ. DEC
(Digital Equipment Corporation) được thành lập vào năm 1957
và cũng trong năm đó cho ra đời sản phẩm đầu tiên của mình là
PDP-1.
- 4 K word (1 word= 18 bit)
- chu kỳ 5 ms
- giá 120000$
và IBM 7094.
- 32 K word (1 word = 16 bit)
- chu kỳ 2 ms
- giá 1 triệu USD
1.1.3.Th
1.1.3.Th
ế
ế
h
h
ệ
ệ

II
II
–
–
transistor (1955
transistor (1955
-
-
1965)
1965)